JP5471832B2 - Ｓｃｒシステム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排ガス中のＮＯｘを尿素水を用いて還元するＳＣＲシステムに関するものである。

ディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するための排ガス浄化システムとして、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction；選択還元触媒）装置を用いたＳＣＲシステムが開発されている。

このＳＣＲシステムは、尿素水をＳＣＲ装置の排気ガス上流に供給し、排気ガスの熱でアンモニアを生成し、このアンモニアによって、ＳＣＲ触媒上でＮＯｘを還元して浄化するものである（例えば、特許文献１参照）。

ＳＣＲシステムでは、ＳＣＲ触媒に吸蔵されているアンモニアのストレージ量と、排気ガス中のＮＯｘ濃度とに基づいて、尿素水の噴射量を制御するようになっている。

また、エンジンの排気管には、排気ガス中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）が設けられる。ＳＣＲ装置は、ＤＰＦの下流側の排気管に設けられる。

ＤＰＦを搭載した車両では、ＤＰＦの詰まりを防止するために、ＤＰＦに捕集したＰＭを燃焼してＤＰＦを再生するＤＰＦ再生が行われる。ＤＰＦ再生時には、燃料噴射制御等により排気ガスを高温（例えば５００〜６００℃程度）にしてＰＭを燃焼させるため、ＤＰＦ再生時には、ＳＣＲ装置にも高温の排気ガスが流入する。

ところで、ＳＣＲ触媒は、ＳＣＲ触媒の温度が高くなるほど、ＳＣＲ触媒に吸蔵できるアンモニアのストレージ量（以下、ストレージ容量という）が低下するという特性を有しており、ＳＣＲ触媒の温度が３５０℃以上になると、ストレージ容量はほぼゼロになる。

よって、ＳＣＲ触媒で多量のアンモニアをストレージしている状態でＤＰＦ再生を行うと、ＳＣＲ触媒の温度が急激に上昇してＳＣＲ触媒のストレージ容量が低下し、ＳＣＲ触媒に吸蔵されていたアンモニアがＳＣＲ装置の下流に流出して大気中に放出される、所謂アンモニアスリップという現象が発生する。

このアンモニアスリップを防止するため、従来のＳＣＲシステムでは、ＤＰＦ再生を行う際に、ＤＰＦ再生に先立ち、尿素水の噴射を停止してＳＣＲ触媒が吸蔵しているアンモニアのストレージ量を低下させる協調制御が行われる。

協調制御では、ＳＣＲ触媒が吸蔵しているアンモニアのストレージ量の計算値（以下、計算ストレージ量という）を求め、この計算ストレージ量が所定の閾値（以下、協調制御閾値という）以下となったときに、ＤＰＦ再生を開始するようにされる。

協調制御に用いる協調制御閾値は、ＳＣＲ装置の入口における排気ガス温度（ＳＣＲ入口温度）と、排気ガス流量で参照される協調制御閾値マップにより決定される。

計算ストレージ量は、尿素水の噴射によりＳＣＲ触媒に貯留されるアンモニアの量と、ＮＯｘを浄化するのに用いられたアンモニアの量の収支を計算することにより算出され、具体的には、尿素水の噴射量、ＳＣＲ触媒の温度、排気ガス流量、ＳＣＲ装置の上流側の排気ガス中のＮＯｘ濃度、エンジンパラメータなどを基に算出される。

計算ストレージ量を算出する際に用いるＳＣＲ触媒の温度については、協調制御のためだけにＳＣＲ装置に温度センサを設けることは経済的でないため、ＳＣＲ装置の入口における排気ガス温度（ＳＣＲ入口温度）で近似するようにしている。

特開２０００−３０３８２６号公報

しかしながら、上述の協調制御を行った後にＤＰＦ再生を行った場合であっても、環境条件によっては、ＤＰＦ再生時にアンモニアスリップが発生してしまうことが分かった。

より具体的には、本発明者らは、外気温が高い（例えば２０℃）場合にはアンモニアスリップが発生しないものの、外気温が低い（例えば−１８℃）場合には、ＤＰＦ再生時にアンモニアスリップが発生してしまうことを見出した。

この原因について検討した結果、本発明者らは、外気温が低い場合には、計算ストレージ量を算出する際に用いているＳＣＲ入口温度と、実際のＳＣＲ触媒の温度の乖離が大きくなり、実際にはＳＣＲ触媒にアンモニアが残っているにも拘わらずＤＰＦ再生が行われ、結果的にＳＣＲ触媒に残存していたアンモニアが放出されてアンモニアスリップが発生していることを見出した。

本発明は上記事情に鑑み為されたもので、ＤＰＦ再生時のアンモニアスリップを防止することが可能なＳＣＲシステムを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、エンジンの排気管に、排気ガス中の粒子状物質を捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルター）を設けた車両に搭載され、前記ＤＰＦの上流側または下流側の前記排気管に設けられたＳＣＲ（選択還元触媒）装置と、前記ＳＣＲ装置の上流側で尿素水を噴射する尿素水噴射手段と、前記排気管に設けられたＮＯｘセンサと、前記ＳＣＲ装置の上流側に設けられ、前記ＳＣＲ装置の入口での排気ガス温度であるＳＣＲ入口温度を検出する排気温度センサと、前記排気温度センサが検出したＳＣＲ入口温度を用いて、前記ＳＣＲ装置に吸蔵されているアンモニアのストレージ量である計算ストレージ量を算出する計算ストレージ量演算部と、前記計算ストレージ量演算部で算出した計算ストレージ量と、前記ＮＯｘセンサで検出したＮＯｘ濃度とに応じて、尿素水噴射量を制御する尿素水噴射制御部と、ＤＰＦ再生を行う際に、ＤＰＦ再生に先立ち尿素水の噴射を停止し、計算ストレージ量が協調制御閾値以下となったときに、ＤＰＦ再生を開始させる協調制御を行う協調制御部と、ＳＣＲ入口温度と排気ガス流量で参照される協調制御閾値マップと、を備えたＳＣＲシステムにおいて、外気温検出手段と、前記協調制御閾値マップで得た協調制御閾値を、前記排気温度センサと前記外気温検出手段とに基づいて補正する協調制御閾値補正部と、を備え、前記協調制御部は、計算ストレージ量が補正後の協調制御閾値以下となったときに、ＤＰＦ再生を開始させるように構成したＳＣＲシステムである。

前記協調制御閾値補正部は、前記協調制御閾値マップで得た協調制御閾値を、外気温が低いほど、協調制御閾値が小さくなるように補正してもよい。

本発明によれば、ＤＰＦ再生時のアンモニアスリップを防止することが可能なＳＣＲシステムを提供できる。

（ａ），（ｂ）は、本実施の形態に係るＳＣＲシステムの概略構成図である。 図１のＳＣＲシステムにおけるＤＣＵの入出力構成図である。 本発明において、協調制御部の制御フローを示すフローチャートである。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

まず、車両に搭載されるＳＣＲシステムについて説明する。

図１（ａ）に示すように、ＳＣＲシステム１００は、エンジンＥの排気管１０２に設けられたＳＣＲ装置１０３と、ＳＣＲ装置１０３の上流側（排気ガスの上流側）で尿素水を噴射する尿素水噴射手段としてのドージングバルブ（尿素噴射装置、ドージングモジュール）１０４と、尿素水を貯留する尿素タンク１０５と、尿素タンク１０５に貯留された尿素水をドージングバルブ１０４に供給するサプライモジュール１０６と、ドージングバルブ１０４やサプライモジュール１０６等を制御するＤＣＵ（Dosing Control Unit）１２６とを主に備える。

エンジンＥの排気管１０２には、排気ガスの上流側から下流側にかけて、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst；酸化触媒）１０７、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter；ディーゼルパティキュレートフィルター）１０８、ＳＣＲ装置１０３が順次配置される。ＤＯＣ１０７は、エンジンＥから排気される排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ₂とし、排気ガス中のＮＯとＮＯ₂の比率を制御してＳＣＲ装置１０３における脱硝効率を高めるためのものである。また、ＤＰＦ１０８は、排気ガス中のＰＭ（Particulate Matter；粒子状物質）を捕集するためのものである。

ＳＣＲ装置１０３の上流側の排気管１０２には、ドージングバルブ１０４が設けられる。ドージングバルブ１０４は、高圧の尿素水が満たされたシリンダに噴口が設けられ、その噴口を塞ぐ弁体がプランジャに取り付けられた構造となっており、コイルに通電することによりプランジャを引き上げることで弁体を噴口から離間させて尿素水を噴射するようになっている。コイルへの通電を止めると、内部のバネ力によりプランジャが引き下げられて弁体が噴口を塞ぐので尿素水の噴射が停止される。

ドージングバルブ１０４の上流側の排気管１０２には、ＳＣＲ装置１０３の入口における排気ガス温度（ＳＣＲ入口温度）を測定する排気温度センサ１０９が設けられる。また、ＳＣＲ装置１０３の上流側（ここでは排気温度センサ１０９の上流側）には、ＳＣＲ装置１０３の上流側でのＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘセンサ１１０が設けられ、ＳＣＲ装置１０３の下流側には、ＳＣＲ装置１０３の下流側でのＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘセンサ１１１が設けられる。

サプライモジュール１０６は、尿素水を圧送するＳＭポンプ１１２と、サプライモジュール１０６の温度（サプライモジュール１０６を流れる尿素水の温度）を測定するＳＭ温度センサ１１３と、サプライモジュール１０６内における尿素水の圧力（ＳＭポンプ１１２の吐出側の圧力）を測定する尿素水圧力センサ１１４と、尿素水の流路を切り替えることにより、尿素タンク１０５からの尿素水をドージングバルブ１０４に供給するか、あるいはドージングバルブ１０４内の尿素水を尿素タンク１０５に戻すかを切り替えるリバーティングバルブ１１５とを備えている。ここでは、リバーティングバルブ１１５がＯＮのとき、尿素タンク１０５からの尿素水をドージングバルブ１０４に供給するようにし、リバーティングバルブ１１５がＯＦＦのとき、ドージングバルブ１０４内の尿素水を尿素タンク１０５に戻すようにした。

リバーティングバルブ１１５が尿素水をドージングバルブ１０４に供給するように切り替えられている場合、サプライモジュール１０６は、そのＳＭポンプ１１２にて、尿素タンク１０５内の尿素水を送液ライン（サクションライン）１１６を通して吸い上げ、圧送ライン（プレッシャーライン）１１７を通してドージングバルブ１０４に供給するようにされ、余剰の尿素水を、回収ライン（バックライン）１１８を通して尿素タンク１０５に戻すようにされる。

尿素タンク１０５には、ＳＣＲセンサ１１９が設けられる。ＳＣＲセンサ１１９は、尿素タンク１０５内の尿素水の液面高さ（レベル）を測定するレベルセンサ１２０と、尿素タンク１０５内の尿素水の温度を測定する温度センサ１２１と、尿素タンク１０５内の尿素水の品質を測定する品質センサ１２２とを備えている。品質センサ１２２は、例えば、超音波の伝播速度や電気伝導度から、尿素水の濃度や尿素水に異種混合物が混合されているか否かを検出し、尿素タンク１０５内の尿素水の品質を検出するものである。

尿素タンク１０５とサプライモジュール１０６には、エンジンＥを冷却するための冷却水を循環する冷却ライン１２３が接続される。冷却ライン１２３は、尿素タンク１０５内を通り、冷却ライン１２３を流れる冷却水と尿素タンク１０５内の尿素水との間で熱交換するようにされる。同様に、冷却ライン１２３は、サプライモジュール１０６内を通り、冷却ライン１２３を流れる冷却水とサプライモジュール１０６内の尿素水との間で熱交換するようにされる。

冷却ライン１２３には、尿素タンク１０５とサプライモジュール１０６に冷却水を供給するか否かを切り替えるタンクヒーターバルブ（クーラントバルブ）１２４が設けられる。なお、ドージングバルブ１０４にも冷却ライン１２３が接続されるが、ドージングバルブ１０４には、タンクヒーターバルブ１２４の開閉に拘わらず、冷却水が供給されるように構成されている。なお、図１（ａ）では図を簡略化しており示されていないが、冷却ライン１２３は、尿素水が通る送液ライン１１６、圧送ライン１１７、回収ライン１１８に沿って配設される。

図２に、ＤＣＵ１２６の入出力構成図を示す。

図２に示すように、ＤＣＵ１２６には、上流側ＮＯｘセンサ１１０、下流側ＮＯｘセンサ１１１、ＳＣＲセンサ１１９（レベルセンサ１２０、温度センサ１２１、品質センサ１２２）、排気温度センサ１０９、サプライモジュール１０６のＳＭ温度センサ１１３と尿素水圧力センサ１１４、およびエンジンＥを制御するＥＣＭ（Engine Control Module）１２５からの入力信号線が接続されている。ＥＣＭ１２５からは、外気温、エンジンパラメータ（エンジン回転数など）の信号が入力される。

また、ＤＣＵ１２６には、タンクヒーターバルブ１２４、サプライモジュール１０６のＳＭポンプ１１２とリバーティングバルブ１１５、ドージングバルブ１０４、上流側ＮＯｘセンサ１１０のヒータ、下流側ＮＯｘセンサ１１１のヒータ、への出力信号線が接続される。なお、ＤＣＵ１２６と各部材との信号の入出力に関しては、個別の信号線を介した入出力、ＣＡＮ（Controller Area Network）を介した入出力のどちらであってもよい。

図１（ｂ）に示すように、ＤＣＵ１２６には、排気温度センサ１０９が検出したＳＣＲ入口温度を用いて、ＳＣＲ装置１０３に吸蔵されているアンモニアのストレージ量である計算ストレージ量を算出する計算ストレージ量演算部１２７と、ＳＣＲ装置１０３に吸蔵させるアンモニアのストレージ量の目標値である目標ストレージ量を求める目標ストレージ量演算部１２８と、が搭載される。

計算ストレージ量演算部１２７は、尿素水の噴射量、ＳＣＲ触媒の温度（ここではＳＣＲ入口温度を用いる）、排気ガス流量、上流側ＮＯｘセンサ１１０と下流側ＮＯｘセンサ１１１が検出したＮＯｘ濃度、エンジンパラメータなどを基に、計算ストレージ量を算出するようにされる。

目標ストレージ量演算部１２８は、排気ガスの温度（ここではＳＣＲ入口温度を用いる）と排気ガス流量で目標ストレージ量マップ（図示せず）を参照して、目標ストレージ量を求めるようにされる。なお、排気ガス流量については、エンジンの吸気管に設けた流量センサ（ＭＡＦセンサ）で測定される吸気流量を用いてもよい。

また、ＤＣＵ１２６には、計算ストレージ量演算部１２７で算出した計算ストレージ量と、上流側ＮＯｘセンサ１１０で検出したＮＯｘ濃度の検出値に応じて尿素水噴射量を制御する尿素水噴射制御部１２９が搭載される。尿素水噴射制御部１２９は、計算ストレージ量が目標ストレージ量に近づくように噴射する尿素水量を制御し、かつ、ＥＣＭ１２５からのエンジンパラメータの信号と、排気温度センサ１０９からの排気ガス温度とを基に、排気ガス中のＮＯｘの量を推定すると共に、推定した排気ガス中のＮＯｘの量を基にドージングバルブ１０４から噴射する尿素水量を決定するようにされる。

さらに、ＤＣＵ１２６には、ＤＰＦ再生を行う際に、ＤＰＦ再生に先立ち尿素水の噴射を停止し、計算ストレージ量が協調制御閾値以下となったときに、ＤＰＦ再生を開始させる協調制御を行う協調制御部１３０と、ＳＣＲ入口温度と排気ガス流量で参照される協調制御閾値マップ１３１とが搭載される。

協調制御部１３０は、ＤＰＦ再生時にＥＣＭ１２５から出力されるＤＰＦ再生要求の信号を受信したときに、尿素水の噴射を停止して協調制御を開始し、協調制御開始後、計算ストレージ量が協調制御閾値以下となったときに、ＥＣＭ１２５にＤＰＦ再生の開始を許可する信号を出力して、ＤＰＦ再生を開始させるようにされる。協調制御閾値マップ１３１は、従来用いられているものである。

さて、本実施の形態に係るＳＣＲシステム１００では、ＳＣＲ入口温度と外気温で参照される補正用係数マップ１３２と、協調制御閾値マップ１３１で得た協調制御閾値に、補正用係数マップ１３２で得た補正用係数を掛け合わせることで、協調制御に用いる協調制御閾値を補正する協調制御閾値補正部１３３と、をさらに備えている。補正用係数マップ１３２、協調制御閾値補正部１３３は、ＤＣＵ１２６に搭載される。外気温の信号は、ＣＡＮを介してＥＣＭ１２５からＤＣＵ１２６に入力される。外気温の信号としては、ＭＡＦセンサまたは吸気マニホールドの温度（吸気温度）の信号を用いてもよい。

協調制御閾値補正部１３３は、ＳＣＲ入口温度と排気ガス流量で協調制御閾値マップ１３１を参照して協調制御閾値を求めると共に、ＳＣＲ入口温度と外気温で補正用係数マップ１３２を参照して補正用係数を求め、これらを掛け合わせることによって、協調制御閾値を補正するようにされる。協調制御部１３０は、協調制御閾値補正部１３３が求めた補正後の協調制御閾値を用い、計算ストレージ量が補正後の協調制御閾値以下となったときに、ＤＰＦ再生を開始させるようにされる。

補正用係数マップ１３２は、外気温が低いほど、補正用係数の値が小さくなるように設定されている。これにより、外気温が低いほど、補正後の協調制御閾値が小さくなり、協調制御が行われる時間が長く（ＤＰＦ再生の開始が遅く）なる。その結果、ＤＰＦ再生を開始する前に、ＳＣＲ触媒に吸蔵されているアンモニアの多くを消費して、ＤＰＦ再生時にＳＣＲ触媒が高温になったとしても、アンモニアスリップを抑制することが可能になる。なお、補正用係数には１以下（０〜１）の数値が設定される。

ここで、協調制御部１３０の制御フローを図３を用いて説明する。協調制御部１３０は、図３に示す制御フローを繰返し実行するようにされる。

図３に示すように、まず、協調制御部１３０は、ＥＣＭ１２５からＤＰＦ再生要求の信号を受信したかを判断する（ステップＳ１）。ステップＳ１にてＮＯと判断された場合、協調制御を行う必要がないので、そのまま制御を終了する。

ステップＳ１にてＹＥＳと判断された場合、協調制御部１３０は、尿素水の噴射を停止させ（ステップＳ２）、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、協調制御閾値補正部１３３が、ＳＣＲ入口温度と排気ガス流量で協調制御閾値マップ１３１を参照して協調制御閾値を求めると共に、ＳＣＲ入口温度と外気温で補正用係数マップ１３２を参照して補正用係数を求め、これらを掛け合わせることによって、補正後の協調制御閾値を算出する。補正後の協調制御閾値を算出した後、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、協調制御部１３０は、計算ストレージ量演算部１２７で求めた計算ストレージ量が、ステップＳ３で求めた補正後の協調制御閾値以下であるかを判断する。ステップＳ４にてＮＯと判断された場合、ステップＳ３に戻る。

ステップＳ４にてＹＥＳと判断された場合、計算ストレージ量が補正後の協調制御閾値以下となったので、協調制御部１３０は、ＥＣＭ１２５にＤＰＦ再生の開始を許可する信号を出力して、ＤＰＦ再生を開始させると共に、尿素水の噴射を再開させ、協調制御を終了する。

以上説明したように、本実施の形態に係るＳＣＲシステム１００では、協調制御閾値マップ１３１で得た協調制御閾値に、ＳＣＲ入口温度と外気温で参照される補正用係数マップ１３２で得た補正用係数を掛け合わせることで、協調制御に用いる協調制御閾値を補正し、協調制御部１３０にて、計算ストレージ量が補正後の協調制御閾値以下となったときに、ＤＰＦ再生を開始させるようにしている。

外気温が低い場合には、ＳＣＲ入口温度と実際のＳＣＲ触媒の温度との間の乖離が大きくなり、計算ストレージ量に誤差が生じるが、本発明によれば、外気温に応じて協調制御閾値を補正することが可能となり、補正用係数マップ１３２を、外気温が低いほど、補正用係数の値が小さくなるように設定することで、補正後の協調制御閾値を小さくし、協調制御が行われる時間を長く（ＤＰＦ再生の開始を遅く）することが可能になる。

その結果、ＤＰＦ再生を開始する際にＳＣＲ触媒に吸蔵されているアンモニアの量を減らすことができ、ＤＰＦ再生時にＳＣＲ触媒が高温になったとしても、アンモニアが大気中に放出されることを抑制し、ＤＰＦ再生時のアンモニアスリップを防止することが可能となる。

また、ＳＣＲシステム１００では、従来のシステムに補正用係数マップ１３２と協調制御閾値補正部１３３とを追加するという簡易な構成で、ＤＰＦ再生時のアンモニアスリップを防止することが可能となり、温度センサを追加したり従来のシステムに大幅な変更を加える必要がないので、低コストである。

上記実施の形態では、ＤＰＦ１０８の下流側の排気管１０２にＳＣＲ装置１０３を設ける場合を説明したが、これに限らず、ＤＰＦ１０８の上流側の排気管１０２にＳＣＲ装置１０３を設けるようにしてもよい。

１００ ＳＣＲシステム
１０２ 排気管
１０３ ＳＣＲ装置
１０４ ドージングバルブ（尿素水噴射手段）
１０５ 尿素タンク
１０６ サプライモジュール
１１０ 上流側ＮＯｘセンサ
１１１ 下流側ＮＯｘセンサ
１２５ ＥＣＭ
１２６ ＤＣＵ
１２７ 計算ストレージ量演算部
１２８ 目標ストレージ量演算部
１２９ 尿素水噴射制御部
１３０ 協調制御部
１３１ 協調制御閾値マップ
１３２ 補正用係数マップ
１３３ 協調制御閾値補正部
Ｅ エンジン

Claims (2)

1. エンジンの排気管に、排気ガス中の粒子状物質を捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルター）を設けた車両に搭載され、
   前記ＤＰＦの上流側または下流側の前記排気管に設けられたＳＣＲ（選択還元触媒）装置と、
   前記ＳＣＲ装置の上流側で尿素水を噴射する尿素水噴射手段と、
   前記排気管に設けられたＮＯｘセンサと、
   前記ＳＣＲ装置の上流側に設けられ、前記ＳＣＲ装置の入口での排気ガス温度であるＳＣＲ入口温度を検出する排気温度センサと、
   前記排気温度センサが検出したＳＣＲ入口温度を用いて、前記ＳＣＲ装置に吸蔵されているアンモニアのストレージ量である計算ストレージ量を算出する計算ストレージ量演算部と、
   前記計算ストレージ量演算部で算出した計算ストレージ量と、前記ＮＯｘセンサで検出したＮＯｘ濃度とに応じて、尿素水噴射量を制御する尿素水噴射制御部と、
   ＤＰＦ再生を行う際に、ＤＰＦ再生に先立ち尿素水の噴射を停止し、計算ストレージ量が協調制御閾値以下となったときに、ＤＰＦ再生を開始させる協調制御を行う協調制御部と、
   ＳＣＲ入口温度と排気ガス流量で参照される協調制御閾値マップと、を備えたＳＣＲシステムにおいて、
   外気温検出手段と、
   前記協調制御閾値マップで得た協調制御閾値を、前記排気温度センサと前記外気温検出手段とに基づいて補正する協調制御閾値補正部と、を備え、
   前記協調制御部は、計算ストレージ量が補正後の協調制御閾値以下となったときに、ＤＰＦ再生を開始させるように構成したことを特徴とするＳＣＲシステム。
2. 前記協調制御閾値補正部は、前記協調制御閾値マップで得た協調制御閾値を、外気温が低いほど、協調制御閾値が小さくなるように補正する請求項１記載のＳＣＲシステム。

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